Mehrkanal MEG zur ungemittelten Detektion von kurzlebiger Aktivitität der Hirnrinde – SPIKE MEG

• Antragsteller: Rainer Körber, Ph.D.; Dr. Gunnar Waterstraat
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511192033

Die Evolution hat das menschliche Gehirn zu einem "Echtzeit"-Prozessor geformt, der schnell und zuverlässig auf Umweltereignisse reagiert. Der Bedarf, Nervenzellen "in Gedankengeschwindigkeit" zu beobachten, ohne dass Elektroden im Gehirn platziert werden müssen, hat zur Entwicklung zweier zeitlich hochauflösender Techniken geführt: der Elektroenzephalografie (EEG) und der Magnetenzephalografie (MEG). Dabei wird das elektromagnetische Feld gemessen, das durch zwei Arten neuronaler Ionenströme entsteht: Langsame Ströme - bekannt als postsynaptische Potenziale - treten auf, wenn Signale, die von einer Nervenzelle gesendet werden, von einer anderen empfangen werden. Das Aussenden der Impulse selbst erzeugt schnelle Ströme, sog. Spikes bzw. Aktionspotentiale von nur eine Millisekunde Dauer. Während die Ergebnisse für langsame Ströme aus EEG und MEG zuverlässig sind, ist dies für schnelle Ströme generell nicht der Fall. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist führend in der Entwicklung der MEG-Technologie, und ein kürzlich konstruiertes rauscharmes Magnetometer ermöglichte die erste nichtinvasive Charakterisierung von ‘population spikes’ im menschlichen Kortex im Einzelversuch. Dabei variierten die Amplituden zwischen den einzelnen Versuchen stark. Diese Pilotstudie legt nahe, dass rauscharme MEG nicht-invasive Messungen neuronaler Ströme simultan sowohl bei niedrigen wie auch hohen Frequenzen ermöglichen können. Bisherige Messungen wurden jedoch mit einem einkanaligen MEG-Gerät durchgeführt, was die Analyse einzelner neuronaler Quellen in der Netzwerkaktivität des Gehirns ausschließt. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen, extrem rauscharmen Mehrkanal-MEG-Systems, das räumlich aufgelöste nicht-invasive Messungen sowohl langsamer synaptischer Ströme als auch schneller Spikes ermöglicht. Wir werden auch die räumlich komplementäre Sensitivität von EEG und MEG nutzen, die unterschiedlich empfindlich auf neuronale Quellenmerkmale reagieren. Auf Grundlage unserer früheren Erfahrungen mit rauscharmen EEG werden wir beide Modalitäten bei einem extrem niedrigen Rauschpegel kombinieren. Forscher der Charité–Universitätsmedizin Berlin und der PTB arbeiten gemeinsam an der Beantwortung von Fragen, die üblicherweise invasive Mikroelektrodenableitungen erfordern. So werden wir die Hypothese untersuchen, ob neuronale Oszillationen (langsame Ströme) im somatosensorischen Kortex das lokale Spiking-Verhalten (schnelle Ströme) beeinflussen und ob Spiking in einem Teil des somatosensorischen Kortex die gleichzeitige Spiking-Aktivität in benachbarten Regionen hemmt. Die enge Verzahnung von technologischem und physiologischem Fachwissen in diesem Projekt ist der Schlüssel zur Entwicklung eines neuartigen, extrem rauscharmen MEG/EEG-Geräts, das für die humane nicht-invasive Neurophysiologie von großer Bedeutung sein wird.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung